JP3680050B2 - 医療用マニピュレータ及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用マニピュレータに係り、特に、機構が単純化されると共に操作性と安全性に優れる医療用マニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、胆嚢摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、図１３に示すように、患者１５０の腹部に小さな穴１５１、１５２、１５３をいくつかあけ、それらにトラカール１５４を取り付け、トラカール１５４を介して、それらの孔に内視鏡１６１、鉗子１７１、１７２などを挿入し、術者（通常、外科医）１６０が内視鏡１６１の映像をモニタ１６２で見ながら手術を行っている。このような手術方法は、開腹を必要としないため、患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は、適用分野の拡大が期待されている。
【０００３】
そのような背景のもと、マスタスレーブマニピュレータなどの遠隔操作型ロボット技術を医療分野へ応用する研究が行われ、一部臨床応用されている（http://www.computermotion.com, http://www.intuitivesurgical.com)。遠隔操作型ロボット技術は、術者が操作するマスタアームと実際に術部に操作を施すスレーブアームとが完全に分離したロボットシステムであり、マスタアームの指令値が電気信号としてスレーブアームに伝わるものである。したがって、通常、マスタアームとスレーブアームとはそれぞれ６自由度以上の関節数を有しており、それぞれの自由度に対応してコントローラが設けられており、電気的に多数の制御系、部品、配線を有する複雑なシステムとなっている。
【０００４】
このような問題点を解決するために、発明者らは、図１４に示すような、従来の鉗子にロボット技術を取り入れた医療用マニピュレータ（ロボット鉗子）を提案している(特許文献１)．姿勢操作部２３と処置操作部２４とを有する操作指令部２０と、一端側が操作指令部１０に接続された連結部３０と、連結部３０の他端側に接続され、処置部１４と処置部１４を2自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部１５、１６とを有する作業部１０と、姿勢操作部２３からの操作指令を支持部１５、１６に送って処置部１４の姿勢を変更させるとともに、処置操作部２４からの操作指令を処置部１４に送って処置部１４を動作させる制御部（図示せず）と、を備えた医療用マニピュレータである。
【０００５】
さらに、発明者らは、縫合結紮作業に適した自由度配置として、図１５に示すような医療用マニピュレータも提案している(特許文献２)。医療用マニピュレータは、作業部１０と、操作指令部２０と、両端が作業部１０と操作指令部２０とに接続された連結部３０とを備えている。作業部１０は、連結部３０の中心軸方向３１に対して直交する第１の回転軸１１と第１の回転軸１１に対して直交する第２の回転軸１２からなる支持部と、術部に処置を施す処置部とを有する。処置部の把持動作１３を行うグリッパ１４の中心軸方向が、第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行に配置されている。言いかえれば、作業部１０は、グリッパ１４を２自由度で姿勢変更に可能に支持する支持部としてのピッチ軸関節支持部１５およびロール軸関節支持部１６とを有している。操作指令部２０は、連結部３０の中心軸方向３１に対して直交する第３の回転軸２１と第３の回転軸２１に対して直交する第４の回転軸２２からなる姿勢操作部２３と、操作者が把持して操作する処置操作部２４とを有している。操作者が把持して処置操作部２４を操作する際の操作者の手首の回転方向は第４の回転軸２２の軸方向と概ね平行である。術部に処置を施す処置部１４の把持動作１３は、処置操作部２４の把持動作２５により行う。
【０００６】
上述のようなロボット鉗子は，遠隔操作型マスタスレーブマニピュレータと異なり、操作部（マスタ部）と鉗子先端部ハンド（スレーブ部）とを連結して一体化させ、従来の鉗子の利点である術者が行った方が簡単で確実な大きく素早い操作と，マニピュレータの利点である微細な作業や難しい角度からの操作との両方の操作を可能としたものである。先端部に曲げ・回転などの関節を備えているため、自由自在にハンドの姿勢を動かすことができ，これまでの鉗子では難しかったいろいろな方向からの縫合作業や結紮作業が容易になり、また、右手はロボット鉗子、左手は従来の鉗子という具合に、従来の手術機器と一緒に使うことができ、さらに、システムが簡単でコンパクトなため、低コストで導入できるというメリットがある。
【０００７】
【特許文献１】
特開Ｐ２０００−３５０７３５号公報
【特許文献２】
特開Ｐ２００２−１０２２４８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
医療用ロボットに限らず医療機器、特に手術機器は、滅菌洗浄作業を施さなければ、実際の手術に使用することはできない。
通常、医療用ロボットや医療機器、手術機器の処置部（作業部）は、患者の血液、組織などが付着するため、洗浄および滅菌する必要がある。大きな装置の場合は、少なくとも直接患者と接触する処置部（作業部）は、本体あるいは操作司令部から取り外し洗浄および滅菌できる構成となっている。このため、医療用ロボットや医療機器、手術機器の処置部（作業部）の操作指令部からの着脱は必須とも言える。そして、滅菌等のために操作指令部はずされた処置部（作業部）は、再び操作指令部に結合される際に、所定の位置姿勢関係が回復される必要がある。
【０００９】
一方、一般的にロボットは、電源投入時にリセット動作、すなわち原点復帰動作が必要である。原点復帰動作とは、ロボットの関節を所定のシーケンスに従い動作させることで関節に配置された原点センサによって原点位置を検出し間節の角度位置を原点位置にし、モータ軸に配置されたインクリメンタルエンコーダをリセットし原点位置とする動作である。医療用ロボットによる手術を行うために手術中に原点復帰動作することは、大変面倒であり、手術の緊迫した状況を考慮すると、出来る限り避けたい動作である。そこで、電源投入後すぐ使える、すなわち上述のような原点復帰動作を不要とする医療用ロボットが望まれている。
【００１０】
さらに、発明者らが提案している前述の医療用マニピュレータは、マスタ部とスレーブ部とが一体型に構成されている。そして、術者が直接医療用マニピュレータ本体を操作することになり医療用マニピュレータ本体の自重を支持しなければならない。このため、医療用マニピュレータ本体の小型軽量化を図ることが操作性を向上させること上の最大の課題となっている。従って、原点センサを関節部または他の部分に配置することはスペース的にも重量的にも非常に困難であり好ましくない。仮に原点センサを配置できたとしても、配線などが非常に増えケーブルの重量が増し、操作性を大幅に低下させることになる。
【００１１】
また、アブソリュートエンコーダを搭載することで原点復帰動作を必要としなくとも常に絶対位置を把握可能なロボットを構成することも可能であるが、インクリメンタルエンコーダを搭載する場合より大きくまた配線なども多く、発明者らが提案している上述の医療用マニピュレータには適さない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、作業部と駆動部とを結合分離が自在であって作業部の洗浄滅菌等を可能とし、駆動部の所定の結合位置に作業部を結合可能であり手術時の原点復帰動作を不要にした小型軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の医療用マニピュレータは、作業を行う作業部と、操作指令を生成する操作部と、前記操作部の操作指令に基づき前記作業部を駆動するための駆動部と、前記駆動部の駆動力を前記作業部に伝達するための動力伝達機構と、前記操作部の操作指令に基づき前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記動力伝達機構は、前記駆動部側にある第１動力伝達部と、前記第１動力伝達部と前記駆動部との間に設けられた減速機と、前記作業部側にあり前記第１動力伝達部と結合分離自在である第２動力伝達部とを有することを特徴とする。
【００１４】
また、前記制御部は、正常動作の終了時には前記第１動力伝達部の結合位置を所定結合位置に設定することを特徴とする。
【００１５】
また、前記第１動力伝達部と前記第２動力伝達部とを分離した状態で前記第１動力伝達部に結合分離自在であり、前記第１動力伝達部に結合し前記第１動力伝達部の所定結合位置を検出可能な原点検出手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記制御部は、電源が投入されると初期化され、前記制御部が初期化された後に待機状態となり、前記待機状態において定期的に操作者の指令を監視し、前記待機状態において操作開始指令が指令された場合、操作部の姿勢に作業部の姿勢が追従するように制御するとともに、少なくとも操作停止命令と原点復帰指令の２つの指令を監視し、前記操作停止指令を検知した場合、指令が検知された際の姿勢を維持した前記待機状態となり、前記原点復帰指令を検知した場合、初期化された際の姿勢になるように駆動部を制御する原点復帰動作を行い、初期化された際の姿勢となった後にはその姿勢を維持した前記待機状態となり、前記待機状態においてシステム終了指令を検知した場合、前記待機状態の直前の動作が前記原点復帰動作であるかどうかを判断し、前記原点復帰動作であると判断した場合、正常動作を可能と判断し、原点復帰動作でないと判断した場合は、システム終了指令は誤りであったと判断することを特徴とする。
また、本発明の医療用マニピュレータの制御方法は、作業を行う作業部と、操作指令を生成する操作部と、前記操作部の操作指令に基づき前記作業部を駆動するための駆動部と、前記操作部の操作指令に基づき前記駆動部を制御する制御部とを有する医療用マニピュレータの制御方法であって、待機状態において定期的に操作者の指令を監視し、前記待機状態において操作開始指令が指令された場合、操作部の姿勢に作業部の姿勢が追従するように制御するとともに、少なくとも操作停止命令と原点復帰指令の２つの指令を監視し、前記操作停止指令を検知した場合、指令が検知された際の姿勢を維持した前記待機状態となり、前記原点復帰指令を検知した場合、電源が投入された際の姿勢になるように駆動部を制御する原点復帰動作を行い、電源が投入された際の姿勢となった後にはその姿勢を維持した前記待機状態となり、前記待機状態においてシステム終了指令を検知した場合、前記待機状態の直前の動作が前記原点復帰動作であるかどうかを判断し、前記原点復帰動作であると判断した場合、正常動作を可能と判断し、原点復帰動作でないと判断した場合は、システム終了指令は誤りであったと判断することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、第１動力伝達部と第２動力伝達部とは結合分離自在であり、第１動力伝達部は、第１動力伝達部と第２動力伝達部とを結合する場合に、第２動力伝達部の結合位置を結合前の第１動力伝達部の結合位置に追従させることが可能な大きさのバックドライブトルクを有するので、作業部の洗浄滅菌等を可能とし、アブソリュートエンコーダや原点センサ等を搭載しなくとも、これらを用いた場合の原点復帰動作と同様のことを実現でき、作業部と駆動部との結合分離の前後において、作業部の原点位置を常に確保することが可能になる。
【００１８】
また、制御部は、正常動作の終了時には前記第１動力伝達部の結合位置を所定結合位置に設定するので、手術に医療用マニピュレータを用いる際には、電源投入後、面倒な原点復帰動作をすることなくすぐに使うことができ、これにより、手術の緊迫した状況での面倒な作業を回避することができるため手術の大幅な効率向上が可能となる。
【００１９】
また、第１動力伝達部に結合分離自在の原点検出手段を設けたので、原点検出手段を常時に搭載することをせずとも、駆動部側の原点検出を可能にすることができ、正常動作終了時以外（非常終了時など）にも原点復帰動作が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータ１を示す概略構成図である。医療用マニピュレータ１は作業を行う作業部１０と、作業部１を操作するための操作指令を生成する操作部２０と、操作部２０の操作指令に基づき作業部１０を駆動するための駆動部５０と、駆動部５０の駆動力を作業部１０へ伝達するための動力伝達機構６０と、操作部２０の操作指令に基づき作業部１０に作業を行わせるように駆動部５０を制御する制御部４０とを備えている。作業部１０と操作部２０とは棒状の連結部３０によって連結されている。作業部１０は連結連結部３０の一端側に配設され、操作部２０と駆動部５０は連結部３０の他端側に近接して配置されている。駆動部５０は３個のモータ等から構成されている。なお、自由度の数や自由度の配置については、図１に示す構成に限る必要はなく、種々の変形が可能である。
【００２２】
動力伝達機構６０は、連結部３０を間にして作業部１０と駆動部５０との間に設けられている。動力伝達機構６０は後述するように、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを結合分離し、作業部１０側と駆動部５０側とが結合分離自在であるように構成されている。
【００２３】
動力伝達機構６０は、例えば、リンク、歯車、ワイヤ・プーリ、減速機、カップリングなど複数の動力伝達要素から構成されている。動力伝達機構６０は、モータを備える駆動部５０の動力を連結部３０内に配設されたワイヤ・プーリ等を介して作業部１０へ伝達する。動力伝達機構６０は、駆動部５０の動力を作業部１０まで伝達することで作業部１０に曲げ動作、回転動作、把持動作などの動作を行わせる。
【００２４】
図２は、作業部１０と駆動部５０とを結合分離自在にする一形態を示し、作業部１０及び連結部３０と、駆動部５０及び操作部２０とに分離した状態の概略構成図である。なお、作業部１０と駆動部５０とを結合分離自在にする形態としては、図２に示す場合に限らず、図３に示すように、作業部１０，連結部３０及び操作部２０とを一体的に駆動部５０に結合分離するようにしてもよい。また、図４に示すように、図３に示す場合においてさらに操作部２０を作業部１０及び連結部３０から分離し、作業部１０及び連結部３０と、操作部２０と、駆動部５０との三者の間で結合分離するようにしてもよい。以下では、作業部１０と駆動部５０とを結合分離自在にする形態として図２に示す場合を例にとり説明する。
【００２５】
図２及び図７に示すように、動力伝達機構６０は、駆動部５０側には、カップリングからなる第１動力伝達部６１と、第１動力伝達部６１と駆動部５０との間に配設された減速機からなる動力伝達要素６２とを有する。また、動力伝達機構６０は、作業部１０には、カップリングからなる第２動力伝達部６３と、第２動力伝達部６３に連結されたプーリからなる動力伝達要素６４と、動力伝達要素６４に連結されたワイヤロープ、またはロッドリンク等からなる動力伝達要素６５と、動力伝達要素６５と作業部１０との間に配設されたプーリ、歯車、リンク等からなる動力伝達要素６６を有する。カップリングからなる第１動力伝達部６１とカップリングからなる第２動力伝達部６３とが結合分離されることによって、作業部１０と駆動部５０との間で動力の伝達・切断が可能となっている。なお、動力伝達機構６０における動力伝達要素はどのような組合せであってもよい。
【００２６】
図８及び図９に、医療用マニピュレータ１の作業部１０と駆動部５０の結合時（使用時）と分離時（洗浄時）の結合分離の態様を示す。３個の駆動モータからなる駆動部５０と第１動力伝達部６１は結合台５２に取り付けられており、結合台５２と相対する結合台５６には第２動力伝達部６３と動力伝達要素収容部５６が取り付けられている。動力伝達要素収容部５６は結合部３０の端部に結合され、内部に動力伝達要素６４等が収容されている。ラッチピン５４により結合台５２と結合台５６とを互いに結合分離することにより、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３との結合分離が図られる。このために、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とが分離した状態で互いに合わせ、その後に予め原点位置にある第１動力伝達部６１の結合位置に第２動力伝達部６３の結合位置を追従させるように第２動力伝達部６３の結合位置を調整する。この調整が終えた段階でラッチピン５４により結合台５２と結合台５６とを互いに結合することによって、医療用マニピュレータ１の原点位置が確保される。なお、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３との結合分離の手法については、ラッチピン５４や結合台５２，５４を使用するような場合に限らず、ねじを用いる場合等種々の態様が可能である。
【００２７】
手術等の作業を終えた後に作業部１０を洗浄消毒し、洗浄等の後に第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを再び結合することについて説明する。この場合、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とは分離されるが、第１動力伝達部６１のカップリングの分離時の位置は保存されそのまま結合位置となるように、第１動力伝達部６１は十分に大きなバックドライブトルクを有する。ここで、第１動力伝達部６１のバックドライブトルクとは、通常のように駆動部５０側から第１動力伝達部６１の側に向かって動力を伝達するのとは逆に、第１動力伝達部６１の側から駆動部５０の側に向かって動力を伝達するのに要するトルクの大きさをいう。第１動力伝達部６１のバックドライブトルクが十分に大きいとは、例えば、手作業で第１動力伝達部６１のカップリングの結合位置を変えようしてしても変動できないほどに大きいことをいう。
【００２８】
また、第１動力伝達部６１は、医療用マニピュレータ１の正常動作の終了時には、制御部４０によって所定結合位置（例えば原点位置）に設定されるように構成されている。従って、医療用マニピュレータ１が正常動作を終了し、作業部１０と駆動部５０との分離がなされる時点では、第１動力伝達部６１の分離位置は原点位置（所定結合位置）にある。そして、上述したように、第１動力伝達部６１のバックドライブトルクが十分に大きいので、結合時においても第１動力伝達部６１は原点位置にある。
【００２９】
一方、作業部１０にある第２動力伝達部６３は分離された状態で、第２動力伝達部６３の側から作業部１０の側に向かうドライブトルクは比較的に小さく、容易に手で動かしてドライブできる程度の大きさであるように構成されている。このため、分離された作業部１０を洗浄等を行う際に、第２動力伝達部６３のカップリングの分離時の位置は保存されるとは限らず他の位置へ動き得る。この場合、第２動力伝達部６３の結合位置が分離時と異なる位置にあると、このままでは第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とは分離時と同じ結合関係にはならない。これに対し、本実施の形態では、第１動力伝達部６１のバックドライブトルクが十分に大きく、第２動力伝達部６３の側から作業部１０の側に向かうドライブトルクは比較的に小さいので、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを結合する場合に、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを合わせてまず結合し、次に第２動力伝達部６３の結合位置を原点位置にある第１動力伝達部６１の結合位置に追従させるようにすることができる。
【００３０】
作業部１０は直接患者体内に接し血液や組織が付着するため、手術後には、一旦駆動部５０から取り外し、よく洗浄・滅菌する必要がある。特に、洗浄する際は、作業部１０側の第２動力伝達部６３や動力伝達要素６４，６５，６６をドライブし、よく手動で動かして、第２動力伝達部６３や動力伝達要素６４，６５，６６の隙間に付着した血液や組織を洗い流す必要がある。従って、再び装着する際には、取り外した時の状態と多少異なった状態になっているのが普通である。しかしながら本実施の形態による医療用マニピュレータ１では、前述したように、第２動力伝達部６３の結合位置を原点位置にある第１動力伝達部６１の結合位置に追従させることができるので、第２動力伝達部６３が分離した時の状態と多少異なった状態になっていたとしても、結合する時に第１動力伝達部６１によって原点位置にドライブさせることになるため、分離時の状態を復元することが可能である。もし、第２動力伝達部６３の側から作業部１０の側に向かうドライブトルクが第１動力伝達部６１のバックドライブトルクと同等あるいはより大きい場合には、第１動力伝達部６１がバックドライブトルクされることになるため、分離時の状態を復元することは不可能である。
【００３１】
従って、本発明による実施の形態による医療用マニピュレータ１では、作業部１０と駆動部５０を分離し、洗浄作業などで作業部１０側の第２動力伝達部６３が分離した時の状態と多少異なっていたとしても容易に分離時の状態を復元することができる。なお、滅菌作業は、洗浄・装着後に行ってもよい。
【００３２】
このようにして、本実施の形態によれば、アブソリュートエンコーダや原点センサ等を搭載しなくとも、作業部１０と駆動部５０との結合分離の前後において、作業部１０の原点位置を常に確保することが可能になる。そして、医療用マニピュレータ１の本体の小型軽量化を図り操作性を向上させることができる。
【００３３】
次に、図５，図６、図１０及び図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００３４】
本実施の形態では、第１動力伝達部６１の原点位置を検出可能な原点検出手段７０が設けられている。原点検出手段７０は、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを分離した状態で第１動力伝達部６１に結合分離自在に形成されている。原点検出手段７０は第２動力伝達部６３から分離された第１動力伝達部６１に結合される。図１０，図１１に示すように、原点検出手段７０は結合台７６に取り付けられており、結合台７６には原点検出手段７０のカップリング７０ａが設けられている。カップリング７０ａを第１動力伝達部６１と合わせラッチピン５４で結合台７６と結合台５４とを結合した状態で駆動部５０のモータを駆動し、原点検出手段７０に予め設定した原点位置を検出する。原点位置を検出した時点でモータの回転を停止し、第１動力伝達部６１と原点検出手段７０とを分離する。この時点で、第１動力伝達部６１に原点位置が与えられる。そして、次に、作業部１０を駆動部５０に結合するようにすればよい。
【００３５】
このように、第１動力伝達部６１に結合分離自在の原点検出手段７０を設けたので、原点検出手段７０を常時に搭載することをせずとも、駆動部５０側の原点検出を可能にすることができる。これによって、医療用マニピュレータ１の動作が不正常な状態で終了し、駆動部５０の原点位置が保存されない場合が生じたとしても、上述の手続きにより駆動部５０の原点を復帰させることが可能になる。そして、正常動作終了時以外（非常終了時など）にも原点復帰動作が可能となり、また、医療用マニピュレータ本体に原点センサを不要とすることが可能となるため小型軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。また、手術中の非常事態にも、患者に危害を加えることなく原点検出手段７０の結合分離が容易であるため、より安全な医療用マニピュレータを提供することが可能となる。
【００３６】
次に、以下に、医療用マニピュレータ１の各関節が原点位置（初期姿勢）にあるときにのみ、正常動作終了を可能とする方法の例を示す。システムの立ち上げからシステム終了の手続きまでを図１２を参照し述べる。これによって、操作部２０の操作指令に基づき動力伝達機構６０を制御する制御部４０が、医療用マニピュレータ１の正常動作の終了時に第１動力伝達部６１の第２動力伝達部６３との結合位置を原点位置（所定結合位置）に設定するように制御することが可能になる。
【００３７】
このように、第１動力伝達部６１が原点位置（初期姿勢）にあるときにのみ、正常動作終了を可能とすることが可能になり、手術後に一旦作業部１０を取り外し、洗浄・滅菌後、再び装着する際には、必ず原点位置（初期姿勢）の状態に復元することができる。従って、手術に医療用マニピュレータ１を用いる際には、電源投入後、面倒な原点復帰動作をすることなくすぐに使うことができる。これにより、手術の緊迫した状況での面倒な作業を回避することができるため手術の大幅な効率向上が可能となる。
【００３８】
以下の手続きは、アブソリュートエンコーダ等の原点センサを搭載することなく、各々の関節に設けられたインクリメンタルエンコーダによって位置検出を行い実行される。
【００３９】
図１２において、まず、医療用マニピュレータ１とその構成要素である駆動部５０を駆動制御する制御部４０とを含むシステムに電源が投入されると、制御部４０が初期化され、医療用マニピュレータ１を制御する制御プログラムが起動されることを経て、医療用マニピュレータ１は待機状態となる。
【００４０】
待機状態とは、駆動部５０のモータを現状の角度を維持するように制御することで、もしくはモータへ電流が流れないようにすることであり、作業部１０の姿勢が保たれている状態をさす。このとき制御プログラムは操作者の指令を定期的に監視している。指令は具体的には制御部４０や操作部２０に装着されたスイッチ、システムに接続されたフットスイッチやキーボード、または音声や画像認識により、操作者が入力する。操作開始指令、原点復帰指令、システム終了指令の3種類の指令を待機状態時に判断し、それぞれの指令にあわせて医療用マニピュレータの動作モードを遷移させる（指令判定Ｉ）。
【００４１】
なお、この場合における原点復帰命令や原点復帰動作とは、原点センサを設けこの原点センサをサーチして原点センサを検出しリセットするような指令や動作とは異なり、各々の関節の原点位置へ移動するという意味の指令や動作を指すのである。
【００４２】
操作開始指令により遷移する操作可能状態とは、操作部２０の姿勢に作業部の姿勢が追従するように制御されている状態をさす。このとき操作停止指令と原点復帰指令を監視しており、その指令にあわせて医療用マニピュレータの動作モードを遷移させる（指令判定ＩＩ）。
【００４３】
操作停止指令により、医療用マニピュレータ１は指令が入力された姿勢を維持した待機状態となる。
【００４４】
原点復帰指令より遷移する原点復帰動作とは、医療用マニピュレータ１の作業部１０の姿勢を原点位置（初期姿勢）になるように制御プログラムによりモータが制御駆動される過程をさす。医療用マニピュレータ１は原点への作業部１０の姿勢の制御動作が完了した後、原点の姿勢のまま待機状態へ遷移する。
【００４５】
指令判定Ｉにおいて、システム終了指令を検知したら、システム終了を実行するか否かの判断に移る。制御部５０には医療用マニピュレータ１の動作モードの遷移過程を記憶する機能が備わっており、どの状態から待機状態へ遷移したかを判断することができる。待機状態へ移る直前の医療用マニピュレータ１の動作が原点復帰動作であるならば、システム終了指令が入力された時点すなわち待機状態においては原点復帰が完了していると判断され、システム終了を実行する。反対に、待機状態へ遷移する前の状態が原点復帰動作でないならば、システム終了が入力された待機状態は原点復帰完了状態とはみなされず、システム終了指令入力は誤りと判断処理される。
【００４６】
以上のように、複数の指令入力が存在しても、その判断される指令はそのときの動作モードによって選択される機能と、動作モードの遷移を記憶しておく機能とで、医療用マニピュレータ１が原点位置にあるときのみシステムを終了することを可能とする。なお、必ずしも上述の方法によりシステムの立ち上げからシステム終了の手続きまでを行う必要はなく、基本的に医療用マニピュレータの各関節が原点位置（初期姿勢）にあるときにのみ、正常動作終了を可能とする構成とすればよい。
【００４７】
また、このような構成にすることにより、システム、特に作業部１０側の異常状態を術者が事前に認識することが可能となる。すなわち、作業部１０側と駆動部５０側を結合した際に、作業部１０側が初期位置に無い場合、それを術者が認識することは容易である。また、作業部１０側が初期姿勢に無い場合の原因として考えられるのは、前回の手術時に非常（異常）停止した場合と作業部１０側の第２動力伝達部６３は動力伝達要素６４，６５，６６に何らかの異常（ワイヤ締結部のすべり、ワイヤの伸びなど）がある場合が考えられる。前回の手術時に非常（異常）停止した場合については、事前に対応しておくことが可能であるため、作業部１０側が初期姿勢に無い場合というのは、基本的には作業部１０側の第２動力伝達部６３は動力伝達要素６４，６５，６６に何らかの異常あるということになる。従って、作業部１０側の異常状態を術者が事前に認識することが可能となり、より安全な医療用マニピュレータ１を提供することが可能となる。
【００４８】
手術時に非常（異常）停止した場合には、作業部１０側と駆動部５０側を結合装着する際に初期姿勢に復元することは基本的には不可能である。しかしながら、本発明による実施の形態による医療用マニピュレータ１では、原点センサを備えた原点検出手段７０を分離後の第１動力伝達部６１に結合分離可能としたことにより、駆動部５０側の第１動力伝達部６１に原点検出手段７０を装着し、駆動部５０側の原点復帰作業を可能としている。これらの作業は、事前に実施しておくことが可能なため, 手術時に面倒な原点復帰動作をすることはない。また、駆動部５０側の第１動力伝達部６１の原点復帰作業が完了している状態であれば、作業部１０側の第２動力伝達部６３を駆動部５０側の第１動力伝達部６１と結合することで、作業部１０側を含めた形で、初期姿勢状態に復元することが可能となる。これにより、医療用マニピュレータ本体には常設される原点センサを必要としないので、小型軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。
【００４９】
また、万が一手術中に医療用マニピュレータ１に異常状態が生じて緊急停止した場合、医療用マニピュレータ１を患者に危害を与えずに安全に退避させる必要がある。本発明による実施の形態による医療用マニピュレータ１では、患者に医療用マニピュレータ１を挿入した状態でも、駆動部５０側を作業部１０側から容易に分離することが可能である。この際、作業部１０側を不用意に動かすと患者に危害を与える可能性があるが、作業部１０側を保持し固定した状態で、駆動部５０側のみを動かして安全に分離することができる。さらに、作業部１０側の姿勢が安全でない場合は、分離された作業部１０側をドライブまたはバックドライブすることが容易なため、例えば他に挿入している鉗子などでバックドライブさせ安全な姿勢に誘導することも可能である。また、基準姿勢に戻っていない状態でも、トラカールの円筒内面に倣いドライブされて退避させることも可能である。また、駆動部５０側やコントローラに全く問題が無く、作業部１０側の動力伝達要素、機構要素、構造部材などに何らかの問題があり作業を中断した場合には、新たな作業部１０側を駆動部５０側に装着するだけで、システムの再立ち上げや原点復帰動作などの面倒な操作は一切必要とせず、簡単かつ速やかに問題発生前の状態に復元することが可能である。
【００５０】
なお、医療用マニピュレータ１の動作が不正常な状態で終了したために駆動部５０の原点位置が保存されない場合が生じた場合には、上述の原点検出手段７０を用いて原点を復帰させるようにすればよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上、本発明の構成によれば、第１動力伝達部と第２動力伝達部とは結合分離自在であり、第１動力伝達部は、第１動力伝達部と第２動力伝達部とを結合する場合に、第２動力伝達部の結合位置を結合前の第１動力伝達部の結合位置に追従させることが可能な大きさのバックドライブトルクを有するので、作業部の洗浄滅菌等を可能とし、また、アブソリュートエンコーダや原点センサ等を搭載しなくとも、原点復帰動作と同様のことを実現でき、作業部と駆動部との結合分離の前後において、作業部の原点位置を常に確保することが可能になり、医療用マニピュレータの本体の小型軽量化を図り操作性を向上させることができる。
【００５２】
また、制御部は、正常動作の終了時には前記第１動力伝達部の結合位置を所定結合位置に設定するので、手術後に一旦作業部を駆動部から分離し、洗浄・滅菌後、再び駆動部と結合する際には、必ず原点位置（初期姿勢）の状態に復元することができ、従って、手術に医療用マニピュレータを用いる際には、電源投入後、面倒な原点復帰動作をすることなくすぐに使うことができ、これにより、手術の緊迫した状況での面倒な作業を回避することができるため手術の大幅な効率向上が可能となる。
【００５３】
また、第１動力伝達部に結合分離自在の原点検出手段を設けたので、原点検出手段を常時に搭載することをせずとも、駆動部側の原点検出を可能にすることができ、正常動作終了時以外（非常終了時など）にも原点復帰動作が可能となり、また、医療用マニピュレータ本体に原点センサを不要とすることが可能となるため小型軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。また、手術中の非常事態にも、患者に危害を加えることなく原点検出手段の結合分離が容易であるため、より安全な医療用マニピュレータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の医療用マニピュレータの第１の実施の形態を示す概略斜視図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの分離状態を示す概略斜視図。
【図３】医療用マニピュレータの他の分離形態を示す概略斜視図。
【図４】医療用マニピュレータの他の分離形態を示す概略斜視図。
【図５】原点検出手段を装着した例を示す概略斜視図。
【図６】図５において原点検出手段を分離した状態を示す概略斜視図。
【図７】本発明の実施の形態における動力伝達機構を説明する図。
【図８】本発明の実施の形態における医療用マニピュレータの駆動部の結合分離の構成例を示す図。
【図９】本発明の実施の形態における医療用マニピュレータの駆動部の結合分離の構成例を示す図。
【図１０】本発明の実施の形態における医療用マニピュレータの原点検出手段の結合分離の構成例を示す図。
【図１１】本発明の実施の形態における医療用マニピュレータの原点検出手段の結合分離の構成例を示す図。
【図１２】医療用マニピュレータのシステムの立ち上げからシステム終了の手続きまでを示す図。
【図１３】医療用マニピュレータの使用の態様を示す図。
【図１４】従来の医療用マニピュレータを示す図。
【図１５】従来の医療用マニピュレータを示す図。
【符号の説明】
１ 医療マニピュレータ
１０ 作業部
２０ 操作部
３０ 連結部
４０ 制御部
５０ 駆動部
６０ 動力伝達機構
６１ 第１動力伝達部
６３ 第２動力伝達部
７０ 原点検出手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、医療用マニピュレータに係り、特に、機構が単純化されると共に操作性と安全性に優れる医療用マニピュレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、胆嚢摘出手術などの腹腔鏡下手術においては、図１３に示すように、患者１５０の腹部に小さな穴１５１、１５２、１５３をいくつかあけ、それらにトラカール１５４を取り付け、トラカール１５４を介して、それらの孔に内視鏡１６１、鉗子１７１、１７２などを挿入し、術者（通常、外科医）１６０が内視鏡１６１の映像をモニタ１６２で見ながら手術を行っている。このような手術方法は、開腹を必要としないため、患者への負担が少なく、術後の回復や退院までの日数が大幅に低減される。このため、このような手術方法は、適用分野の拡大が期待されている。
【０００３】
そのような背景のもと、マスタスレーブマニピュレータなどの遠隔操作型ロボット技術を医療分野へ応用する研究が行われ、一部臨床応用されている（http://www.computermotion.com, http://www.intuitivesurgical.com)。遠隔操作型ロボット技術は、術者が操作するマスタアームと実際に術部に操作を施すスレーブアームとが完全に分離したロボットシステムであり、マスタアームの指令値が電気信号としてスレーブアームに伝わるものである。したがって、通常、マスタアームとスレーブアームとはそれぞれ６自由度以上の関節数を有しており、それぞれの自由度に対応してコントローラが設けられており、電気的に多数の制御系、部品、配線を有する複雑なシステムとなっている。
【０００４】
このような問題点を解決するために、発明者らは、図１４に示すような、従来の鉗子にロボット技術を取り入れた医療用マニピュレータ（ロボット鉗子）を提案している(特許文献１)．姿勢操作部２３と処置操作部２４とを有する操作指令部２０と、一端側が操作指令部１０に接続された連結部３０と、連結部３０の他端側に接続され、処置部１４と処置部１４を2自由度以上に姿勢変更可能に支持する支持部１５、１６とを有する作業部１０と、姿勢操作部２３からの操作指令を支持部１５、１６に送って処置部１４の姿勢を変更させるとともに、処置操作部２４からの操作指令を処置部１４に送って処置部１４を動作させる制御部（図示せず）と、を備えた医療用マニピュレータである。
【０００５】
さらに、発明者らは、縫合結紮作業に適した自由度配置として、図１５に示すような医療用マニピュレータも提案している(特許文献２)。医療用マニピュレータは、作業部１０と、操作指令部２０と、両端が作業部１０と操作指令部２０とに接続された連結部３０とを備えている。作業部１０は、連結部３０の中心軸方向３１に対して直交する第１の回転軸１１と第１の回転軸１１に対して直交する第２の回転軸１２からなる支持部と、術部に処置を施す処置部とを有する。処置部の把持動作１３を行うグリッパ１４の中心軸方向が、第２の回転軸１２の軸方向と概ね平行に配置されている。言いかえれば、作業部１０は、グリッパ１４を２自由度で姿勢変更に可能に支持する支持部としてのピッチ軸関節支持部１５およびロール軸関節支持部１６とを有している。操作指令部２０は、連結部３０の中心軸方向３１に対して直交する第３の回転軸２１と第３の回転軸２１に対して直交する第４の回転軸２２からなる姿勢操作部２３と、操作者が把持して操作する処置操作部２４とを有している。操作者が把持して処置操作部２４を操作する際の操作者の手首の回転方向は第４の回転軸２２の軸方向と概ね平行である。術部に処置を施す処置部１４の把持動作１３は、処置操作部２４の把持動作２５により行う。
【０００６】
上述のようなロボット鉗子は，遠隔操作型マスタスレーブマニピュレータと異なり、操作部（マスタ部）と鉗子先端部ハンド（スレーブ部）とを連結して一体化させ、従来の鉗子の利点である術者が行った方が簡単で確実な大きく素早い操作と，マニピュレータの利点である微細な作業や難しい角度からの操作との両方の操作を可能としたものである。先端部に曲げ・回転などの関節を備えているため、自由自在にハンドの姿勢を動かすことができ，これまでの鉗子では難しかったいろいろな方向からの縫合作業や結紮作業が容易になり、また、右手はロボット鉗子、左手は従来の鉗子という具合に、従来の手術機器と一緒に使うことができ、さらに、システムが簡単でコンパクトなため、低コストで導入できるというメリットがある。
【０００７】
【特許文献１】
特開Ｐ２０００−３５０７３５号公報
【特許文献２】
特開Ｐ２００２−１０２２４８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
医療用ロボットに限らず医療機器、特に手術機器は、滅菌洗浄作業を施さなければ、実際の手術に使用することはできない。
通常、医療用ロボットや医療機器、手術機器の処置部（作業部）は、患者の血液、組織などが付着するため、洗浄および滅菌する必要がある。大きな装置の場合は、少なくとも直接患者と接触する処置部（作業部）は、本体あるいは操作司令部から取り外し洗浄および滅菌できる構成となっている。このため、医療用ロボットや医療機器、手術機器の処置部（作業部）の操作指令部からの着脱は必須とも言える。そして、滅菌等のために操作指令部はずされた処置部（作業部）は、再び操作指令部に結合される際に、所定の位置姿勢関係が回復される必要がある。
【０００９】
一方、一般的にロボットは、電源投入時にリセット動作、すなわち原点復帰動作が必要である。原点復帰動作とは、ロボットの関節を所定のシーケンスに従い動作させることで関節に配置された原点センサによって原点位置を検出し間節の角度位置を原点位置にし、モータ軸に配置されたインクリメンタルエンコーダをリセットし原点位置とする動作である。医療用ロボットによる手術を行うために手術中に原点復帰動作することは、大変面倒であり、手術の緊迫した状況を考慮すると、出来る限り避けたい動作である。そこで、電源投入後すぐ使える、すなわち上述のような原点復帰動作を不要とする医療用ロボットが望まれている。
【００１０】
さらに、発明者らが提案している前述の医療用マニピュレータは、マスタ部とスレーブ部とが一体型に構成されている。そして、術者が直接医療用マニピュレータ本体を操作することになり医療用マニピュレータ本体の自重を支持しなければならない。このため、医療用マニピュレータ本体の小型軽量化を図ることが操作性を向上させること上の最大の課題となっている。従って、原点センサを関節部または他の部分に配置することはスペース的にも重量的にも非常に困難であり好ましくない。仮に原点センサを配置できたとしても、配線などが非常に増えケーブルの重量が増し、操作性を大幅に低下させることになる。
【００１１】
また、アブソリュートエンコーダを搭載することで原点復帰動作を必要としなくとも常に絶対位置を把握可能なロボットを構成することも可能であるが、インクリメンタルエンコーダを搭載する場合より大きくまた配線なども多く、発明者らが提案している上述の医療用マニピュレータには適さない。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、作業部と駆動部とを結合分離が自在であって作業部の洗浄滅菌等を可能とし、駆動部の所定の結合位置に作業部を結合可能であり手術時の原点復帰動作を不要にした小型軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明の医療用マニピュレータは、作業を行う作業部と、操作指令を生成する操作部と、前記操作部の操作指令に基づき前記作業部を駆動するための駆動部と、前記駆動部の駆動力を前記作業部に伝達するための動力伝達機構と、前記操作部の操作指令に基づき前記駆動部を制御する制御部とを備え、前記動力伝達機構は、前記駆動部側にある第１動力伝達部と、前記第１動力伝達部と前記駆動部との間に設けられた減速機と、前記作業部側にあり前記第１動力伝達部と結合分離自在である第２動力伝達部とを有することを特徴とする。
【００１４】
また、前記制御部は、正常動作の終了時には前記第１動力伝達部の結合位置を所定結合位置に設定することを特徴とする。
【００１５】
また、前記第１動力伝達部と前記第２動力伝達部とを分離した状態で前記第１動力伝達部に結合分離自在であり、前記第１動力伝達部に結合し前記第１動力伝達部の所定結合位置を検出可能な原点検出手段を備えることを特徴とする。
【００１６】
また、前記制御部は、電源が投入されると初期化され、前記制御部が初期化された後に待機状態となり、前記待機状態において定期的に操作者の指令を監視し、前記待機状態において操作開始指令が指令された場合、操作部の姿勢に作業部の姿勢が追従するように制御するとともに、少なくとも操作停止命令と原点復帰指令の２つの指令を監視し、前記操作停止指令を検知した場合、指令が検知された際の姿勢を維持した前記待機状態となり、前記原点復帰指令を検知した場合、初期化された際の姿勢になるように駆動部を制御する原点復帰動作を行い、初期化された際の姿勢となった後にはその姿勢を維持した前記待機状態となり、前記待機状態においてシステム終了指令を検知した場合、前記待機状態の直前の動作が前記原点復帰動作であるかどうかを判断し、前記原点復帰動作であると判断した場合、正常動作を可能と判断し、原点復帰動作でないと判断した場合は、システム終了指令は誤りであったと判断することを特徴とする。
また、本発明の医療用マニピュレータの制御方法は、作業を行う作業部と、操作指令を生成する操作部と、前記操作部の操作指令に基づき前記作業部を駆動するための駆動部と、前記操作部の操作指令に基づき前記駆動部を制御する制御部とを有する医療用マニピュレータの制御方法であって、待機状態において定期的に操作者の指令を監視し、前記待機状態において操作開始指令が指令された場合、操作部の姿勢に作業部の姿勢が追従するように制御するとともに、少なくとも操作停止命令と原点復帰指令の２つの指令を監視し、前記操作停止指令を検知した場合、指令が検知された際の姿勢を維持した前記待機状態となり、前記原点復帰指令を検知した場合、電源が投入された際の姿勢になるように駆動部を制御する原点復帰動作を行い、電源が投入された際の姿勢となった後にはその姿勢を維持した前記待機状態となり、前記待機状態においてシステム終了指令を検知した場合、前記待機状態の直前の動作が前記原点復帰動作であるかどうかを判断し、前記原点復帰動作であると判断した場合、正常動作を可能と判断し、原点復帰動作でないと判断した場合は、システム終了指令は誤りであったと判断することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、第１動力伝達部と第２動力伝達部とは結合分離自在であり、第１動力伝達部は、第１動力伝達部と第２動力伝達部とを結合する場合に、第２動力伝達部の結合位置を結合前の第１動力伝達部の結合位置に追従させることが可能な大きさのバックドライブトルクを有するので、作業部の洗浄滅菌等を可能とし、アブソリュートエンコーダや原点センサ等を搭載しなくとも、これらを用いた場合の原点復帰動作と同様のことを実現でき、作業部と駆動部との結合分離の前後において、作業部の原点位置を常に確保することが可能になる。
【００１８】
また、制御部は、正常動作の終了時には前記第１動力伝達部の結合位置を所定結合位置に設定するので、手術に医療用マニピュレータを用いる際には、電源投入後、面倒な原点復帰動作をすることなくすぐに使うことができ、これにより、手術の緊迫した状況での面倒な作業を回避することができるため手術の大幅な効率向上が可能となる。
【００１９】
また、第１動力伝達部に結合分離自在の原点検出手段を設けたので、原点検出手段を常時に搭載することをせずとも、駆動部側の原点検出を可能にすることができ、正常動作終了時以外（非常終了時など）にも原点復帰動作が可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２１】
図１は、本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータ１を示す概略構成図である。医療用マニピュレータ１は作業を行う作業部１０と、作業部１を操作するための操作指令を生成する操作部２０と、操作部２０の操作指令に基づき作業部１０を駆動するための駆動部５０と、駆動部５０の駆動力を作業部１０へ伝達するための動力伝達機構６０と、操作部２０の操作指令に基づき作業部１０に作業を行わせるように駆動部５０を制御する制御部４０とを備えている。作業部１０と操作部２０とは棒状の連結部３０によって連結されている。作業部１０は連結連結部３０の一端側に配設され、操作部２０と駆動部５０は連結部３０の他端側に近接して配置されている。駆動部５０は３個のモータ等から構成されている。なお、自由度の数や自由度の配置については、図１に示す構成に限る必要はなく、種々の変形が可能である。
【００２２】
動力伝達機構６０は、連結部３０を間にして作業部１０と駆動部５０との間に設けられている。動力伝達機構６０は後述するように、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを結合分離し、作業部１０側と駆動部５０側とが結合分離自在であるように構成されている。
【００２３】
動力伝達機構６０は、例えば、リンク、歯車、ワイヤ・プーリ、減速機、カップリングなど複数の動力伝達要素から構成されている。動力伝達機構６０は、モータを備える駆動部５０の動力を連結部３０内に配設されたワイヤ・プーリ等を介して作業部１０へ伝達する。動力伝達機構６０は、駆動部５０の動力を作業部１０まで伝達することで作業部１０に曲げ動作、回転動作、把持動作などの動作を行わせる。
【００２４】
図２は、作業部１０と駆動部５０とを結合分離自在にする一形態を示し、作業部１０及び連結部３０と、駆動部５０及び操作部２０とに分離した状態の概略構成図である。なお、作業部１０と駆動部５０とを結合分離自在にする形態としては、図２に示す場合に限らず、図３に示すように、作業部１０，連結部３０及び操作部２０とを一体的に駆動部５０に結合分離するようにしてもよい。また、図４に示すように、図３に示す場合においてさらに操作部２０を作業部１０及び連結部３０から分離し、作業部１０及び連結部３０と、操作部２０と、駆動部５０との三者の間で結合分離するようにしてもよい。以下では、作業部１０と駆動部５０とを結合分離自在にする形態として図２に示す場合を例にとり説明する。
【００２５】
図２及び図７に示すように、動力伝達機構６０は、駆動部５０側には、カップリングからなる第１動力伝達部６１と、第１動力伝達部６１と駆動部５０との間に配設された減速機からなる動力伝達要素６２とを有する。また、動力伝達機構６０は、作業部１０には、カップリングからなる第２動力伝達部６３と、第２動力伝達部６３に連結されたプーリからなる動力伝達要素６４と、動力伝達要素６４に連結されたワイヤロープ、またはロッドリンク等からなる動力伝達要素６５と、動力伝達要素６５と作業部１０との間に配設されたプーリ、歯車、リンク等からなる動力伝達要素６６を有する。カップリングからなる第１動力伝達部６１とカップリングからなる第２動力伝達部６３とが結合分離されることによって、作業部１０と駆動部５０との間で動力の伝達・切断が可能となっている。なお、動力伝達機構６０における動力伝達要素はどのような組合せであってもよい。
【００２６】
図８及び図９に、医療用マニピュレータ１の作業部１０と駆動部５０の結合時（使用時）と分離時（洗浄時）の結合分離の態様を示す。３個の駆動モータからなる駆動部５０と第１動力伝達部６１は結合台５２に取り付けられており、結合台５２と相対する結合台５６には第２動力伝達部６３と動力伝達要素収容部５６が取り付けられている。動力伝達要素収容部５６は結合部３０の端部に結合され、内部に動力伝達要素６４等が収容されている。ラッチピン５４により結合台５２と結合台５６とを互いに結合分離することにより、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３との結合分離が図られる。このために、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とが分離した状態で互いに合わせ、その後に予め原点位置にある第１動力伝達部６１の結合位置に第２動力伝達部６３の結合位置を追従させるように第２動力伝達部６３の結合位置を調整する。この調整が終えた段階でラッチピン５４により結合台５２と結合台５６とを互いに結合することによって、医療用マニピュレータ１の原点位置が確保される。なお、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３との結合分離の手法については、ラッチピン５４や結合台５２，５４を使用するような場合に限らず、ねじを用いる場合等種々の態様が可能である。
【００２７】
手術等の作業を終えた後に作業部１０を洗浄消毒し、洗浄等の後に第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを再び結合することについて説明する。この場合、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とは分離されるが、第１動力伝達部６１のカップリングの分離時の位置は保存されそのまま結合位置となるように、第１動力伝達部６１は十分に大きなバックドライブトルクを有する。ここで、第１動力伝達部６１のバックドライブトルクとは、通常のように駆動部５０側から第１動力伝達部６１の側に向かって動力を伝達するのとは逆に、第１動力伝達部６１の側から駆動部５０の側に向かって動力を伝達するのに要するトルクの大きさをいう。第１動力伝達部６１のバックドライブトルクが十分に大きいとは、例えば、手作業で第１動力伝達部６１のカップリングの結合位置を変えようしてしても変動できないほどに大きいことをいう。
【００２８】
また、第１動力伝達部６１は、医療用マニピュレータ１の正常動作の終了時には、制御部４０によって所定結合位置（例えば原点位置）に設定されるように構成されている。従って、医療用マニピュレータ１が正常動作を終了し、作業部１０と駆動部５０との分離がなされる時点では、第１動力伝達部６１の分離位置は原点位置（所定結合位置）にある。そして、上述したように、第１動力伝達部６１のバックドライブトルクが十分に大きいので、結合時においても第１動力伝達部６１は原点位置にある。
【００２９】
一方、作業部１０にある第２動力伝達部６３は分離された状態で、第２動力伝達部６３の側から作業部１０の側に向かうドライブトルクは比較的に小さく、容易に手で動かしてドライブできる程度の大きさであるように構成されている。このため、分離された作業部１０を洗浄等を行う際に、第２動力伝達部６３のカップリングの分離時の位置は保存されるとは限らず他の位置へ動き得る。この場合、第２動力伝達部６３の結合位置が分離時と異なる位置にあると、このままでは第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とは分離時と同じ結合関係にはならない。これに対し、本実施の形態では、第１動力伝達部６１のバックドライブトルクが十分に大きく、第２動力伝達部６３の側から作業部１０の側に向かうドライブトルクは比較的に小さいので、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを結合する場合に、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを合わせてまず結合し、次に第２動力伝達部６３の結合位置を原点位置にある第１動力伝達部６１の結合位置に追従させるようにすることができる。
【００３０】
作業部１０は直接患者体内に接し血液や組織が付着するため、手術後には、一旦駆動部５０から取り外し、よく洗浄・滅菌する必要がある。特に、洗浄する際は、作業部１０側の第２動力伝達部６３や動力伝達要素６４，６５，６６をドライブし、よく手動で動かして、第２動力伝達部６３や動力伝達要素６４，６５，６６の隙間に付着した血液や組織を洗い流す必要がある。従って、再び装着する際には、取り外した時の状態と多少異なった状態になっているのが普通である。しかしながら本実施の形態による医療用マニピュレータ１では、前述したように、第２動力伝達部６３の結合位置を原点位置にある第１動力伝達部６１の結合位置に追従させることができるので、第２動力伝達部６３が分離した時の状態と多少異なった状態になっていたとしても、結合する時に第１動力伝達部６１によって原点位置にドライブさせることになるため、分離時の状態を復元することが可能である。もし、第２動力伝達部６３の側から作業部１０の側に向かうドライブトルクが第１動力伝達部６１のバックドライブトルクと同等あるいはより大きい場合には、第１動力伝達部６１がバックドライブトルクされることになるため、分離時の状態を復元することは不可能である。
【００３１】
従って、本発明による実施の形態による医療用マニピュレータ１では、作業部１０と駆動部５０を分離し、洗浄作業などで作業部１０側の第２動力伝達部６３が分離した時の状態と多少異なっていたとしても容易に分離時の状態を復元することができる。なお、滅菌作業は、洗浄・装着後に行ってもよい。
【００３２】
このようにして、本実施の形態によれば、アブソリュートエンコーダや原点センサ等を搭載しなくとも、作業部１０と駆動部５０との結合分離の前後において、作業部１０の原点位置を常に確保することが可能になる。そして、医療用マニピュレータ１の本体の小型軽量化を図り操作性を向上させることができる。
【００３３】
次に、図５，図６、図１０及び図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００３４】
本実施の形態では、第１動力伝達部６１の原点位置を検出可能な原点検出手段７０が設けられている。原点検出手段７０は、第１動力伝達部６１と第２動力伝達部６３とを分離した状態で第１動力伝達部６１に結合分離自在に形成されている。原点検出手段７０は第２動力伝達部６３から分離された第１動力伝達部６１に結合される。図１０，図１１に示すように、原点検出手段７０は結合台７６に取り付けられており、結合台７６には原点検出手段７０のカップリング７０ａが設けられている。カップリング７０ａを第１動力伝達部６１と合わせラッチピン５４で結合台７６と結合台５４とを結合した状態で駆動部５０のモータを駆動し、原点検出手段７０に予め設定した原点位置を検出する。原点位置を検出した時点でモータの回転を停止し、第１動力伝達部６１と原点検出手段７０とを分離する。この時点で、第１動力伝達部６１に原点位置が与えられる。そして、次に、作業部１０を駆動部５０に結合するようにすればよい。
【００３５】
このように、第１動力伝達部６１に結合分離自在の原点検出手段７０を設けたので、原点検出手段７０を常時に搭載することをせずとも、駆動部５０側の原点検出を可能にすることができる。これによって、医療用マニピュレータ１の動作が不正常な状態で終了し、駆動部５０の原点位置が保存されない場合が生じたとしても、上述の手続きにより駆動部５０の原点を復帰させることが可能になる。そして、正常動作終了時以外（非常終了時など）にも原点復帰動作が可能となり、また、医療用マニピュレータ本体に原点センサを不要とすることが可能となるため小型軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。また、手術中の非常事態にも、患者に危害を加えることなく原点検出手段７０の結合分離が容易であるため、より安全な医療用マニピュレータを提供することが可能となる。
【００３６】
次に、以下に、医療用マニピュレータ１の各関節が原点位置（初期姿勢）にあるときにのみ、正常動作終了を可能とする方法の例を示す。システムの立ち上げからシステム終了の手続きまでを図１２を参照し述べる。これによって、操作部２０の操作指令に基づき動力伝達機構６０を制御する制御部４０が、医療用マニピュレータ１の正常動作の終了時に第１動力伝達部６１の第２動力伝達部６３との結合位置を原点位置（所定結合位置）に設定するように制御することが可能になる。
【００３７】
このように、第１動力伝達部６１が原点位置（初期姿勢）にあるときにのみ、正常動作終了を可能とすることが可能になり、手術後に一旦作業部１０を取り外し、洗浄・滅菌後、再び装着する際には、必ず原点位置（初期姿勢）の状態に復元することができる。従って、手術に医療用マニピュレータ１を用いる際には、電源投入後、面倒な原点復帰動作をすることなくすぐに使うことができる。これにより、手術の緊迫した状況での面倒な作業を回避することができるため手術の大幅な効率向上が可能となる。
【００３８】
以下の手続きは、アブソリュートエンコーダ等の原点センサを搭載することなく、各々の関節に設けられたインクリメンタルエンコーダによって位置検出を行い実行される。
【００３９】
図１２において、まず、医療用マニピュレータ１とその構成要素である駆動部５０を駆動制御する制御部４０とを含むシステムに電源が投入されると、制御部４０が初期化され、医療用マニピュレータ１を制御する制御プログラムが起動されることを経て、医療用マニピュレータ１は待機状態となる。
【００４０】
待機状態とは、駆動部５０のモータを現状の角度を維持するように制御することで、もしくはモータへ電流が流れないようにすることであり、作業部１０の姿勢が保たれている状態をさす。このとき制御プログラムは操作者の指令を定期的に監視している。指令は具体的には制御部４０や操作部２０に装着されたスイッチ、システムに接続されたフットスイッチやキーボード、または音声や画像認識により、操作者が入力する。操作開始指令、原点復帰指令、システム終了指令の3種類の指令を待機状態時に判断し、それぞれの指令にあわせて医療用マニピュレータの動作モードを遷移させる（指令判定Ｉ）。
【００４１】
なお、この場合における原点復帰命令や原点復帰動作とは、原点センサを設けこの原点センサをサーチして原点センサを検出しリセットするような指令や動作とは異なり、各々の関節の原点位置へ移動するという意味の指令や動作を指すのである。
【００４２】
操作開始指令により遷移する操作可能状態とは、操作部２０の姿勢に作業部の姿勢が追従するように制御されている状態をさす。このとき操作停止指令と原点復帰指令を監視しており、その指令にあわせて医療用マニピュレータの動作モードを遷移させる（指令判定ＩＩ）。
【００４３】
操作停止指令により、医療用マニピュレータ１は指令が入力された姿勢を維持した待機状態となる。
【００４４】
原点復帰指令より遷移する原点復帰動作とは、医療用マニピュレータ１の作業部１０の姿勢を原点位置（初期姿勢）になるように制御プログラムによりモータが制御駆動される過程をさす。医療用マニピュレータ１は原点への作業部１０の姿勢の制御動作が完了した後、原点の姿勢のまま待機状態へ遷移する。
【００４５】
指令判定Ｉにおいて、システム終了指令を検知したら、システム終了を実行するか否かの判断に移る。制御部５０には医療用マニピュレータ１の動作モードの遷移過程を記憶する機能が備わっており、どの状態から待機状態へ遷移したかを判断することができる。待機状態へ移る直前の医療用マニピュレータ１の動作が原点復帰動作であるならば、システム終了指令が入力された時点すなわち待機状態においては原点復帰が完了していると判断され、システム終了を実行する。反対に、待機状態へ遷移する前の状態が原点復帰動作でないならば、システム終了が入力された待機状態は原点復帰完了状態とはみなされず、システム終了指令入力は誤りと判断処理される。
【００４６】
以上のように、複数の指令入力が存在しても、その判断される指令はそのときの動作モードによって選択される機能と、動作モードの遷移を記憶しておく機能とで、医療用マニピュレータ１が原点位置にあるときのみシステムを終了することを可能とする。なお、必ずしも上述の方法によりシステムの立ち上げからシステム終了の手続きまでを行う必要はなく、基本的に医療用マニピュレータの各関節が原点位置（初期姿勢）にあるときにのみ、正常動作終了を可能とする構成とすればよい。
【００４７】
また、このような構成にすることにより、システム、特に作業部１０側の異常状態を術者が事前に認識することが可能となる。すなわち、作業部１０側と駆動部５０側を結合した際に、作業部１０側が初期位置に無い場合、それを術者が認識することは容易である。また、作業部１０側が初期姿勢に無い場合の原因として考えられるのは、前回の手術時に非常（異常）停止した場合と作業部１０側の第２動力伝達部６３は動力伝達要素６４，６５，６６に何らかの異常（ワイヤ締結部のすべり、ワイヤの伸びなど）がある場合が考えられる。前回の手術時に非常（異常）停止した場合については、事前に対応しておくことが可能であるため、作業部１０側が初期姿勢に無い場合というのは、基本的には作業部１０側の第２動力伝達部６３は動力伝達要素６４，６５，６６に何らかの異常あるということになる。従って、作業部１０側の異常状態を術者が事前に認識することが可能となり、より安全な医療用マニピュレータ１を提供することが可能となる。
【００４８】
手術時に非常（異常）停止した場合には、作業部１０側と駆動部５０側を結合装着する際に初期姿勢に復元することは基本的には不可能である。しかしながら、本発明による実施の形態による医療用マニピュレータ１では、原点センサを備えた原点検出手段７０を分離後の第１動力伝達部６１に結合分離可能としたことにより、駆動部５０側の第１動力伝達部６１に原点検出手段７０を装着し、駆動部５０側の原点復帰作業を可能としている。これらの作業は、事前に実施しておくことが可能なため, 手術時に面倒な原点復帰動作をすることはない。また、駆動部５０側の第１動力伝達部６１の原点復帰作業が完了している状態であれば、作業部１０側の第２動力伝達部６３を駆動部５０側の第１動力伝達部６１と結合することで、作業部１０側を含めた形で、初期姿勢状態に復元することが可能となる。これにより、医療用マニピュレータ本体には常設される原点センサを必要としないので、小型軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。
【００４９】
また、万が一手術中に医療用マニピュレータ１に異常状態が生じて緊急停止した場合、医療用マニピュレータ１を患者に危害を与えずに安全に退避させる必要がある。本発明による実施の形態による医療用マニピュレータ１では、患者に医療用マニピュレータ１を挿入した状態でも、駆動部５０側を作業部１０側から容易に分離することが可能である。この際、作業部１０側を不用意に動かすと患者に危害を与える可能性があるが、作業部１０側を保持し固定した状態で、駆動部５０側のみを動かして安全に分離することができる。さらに、作業部１０側の姿勢が安全でない場合は、分離された作業部１０側をドライブまたはバックドライブすることが容易なため、例えば他に挿入している鉗子などでバックドライブさせ安全な姿勢に誘導することも可能である。また、基準姿勢に戻っていない状態でも、トラカールの円筒内面に倣いドライブされて退避させることも可能である。また、駆動部５０側やコントローラに全く問題が無く、作業部１０側の動力伝達要素、機構要素、構造部材などに何らかの問題があり作業を中断した場合には、新たな作業部１０側を駆動部５０側に装着するだけで、システムの再立ち上げや原点復帰動作などの面倒な操作は一切必要とせず、簡単かつ速やかに問題発生前の状態に復元することが可能である。
【００５０】
なお、医療用マニピュレータ１の動作が不正常な状態で終了したために駆動部５０の原点位置が保存されない場合が生じた場合には、上述の原点検出手段７０を用いて原点を復帰させるようにすればよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上、本発明の構成によれば、第１動力伝達部と第２動力伝達部とは結合分離自在であり、第１動力伝達部は、第１動力伝達部と第２動力伝達部とを結合する場合に、第２動力伝達部の結合位置を結合前の第１動力伝達部の結合位置に追従させることが可能な大きさのバックドライブトルクを有するので、作業部の洗浄滅菌等を可能とし、また、アブソリュートエンコーダや原点センサ等を搭載しなくとも、原点復帰動作と同様のことを実現でき、作業部と駆動部との結合分離の前後において、作業部の原点位置を常に確保することが可能になり、医療用マニピュレータの本体の小型軽量化を図り操作性を向上させることができる。
【００５２】
また、制御部は、正常動作の終了時には前記第１動力伝達部の結合位置を所定結合位置に設定するので、手術後に一旦作業部を駆動部から分離し、洗浄・滅菌後、再び駆動部と結合する際には、必ず原点位置（初期姿勢）の状態に復元することができ、従って、手術に医療用マニピュレータを用いる際には、電源投入後、面倒な原点復帰動作をすることなくすぐに使うことができ、これにより、手術の緊迫した状況での面倒な作業を回避することができるため手術の大幅な効率向上が可能となる。
【００５３】
また、第１動力伝達部に結合分離自在の原点検出手段を設けたので、原点検出手段を常時に搭載することをせずとも、駆動部側の原点検出を可能にすることができ、正常動作終了時以外（非常終了時など）にも原点復帰動作が可能となり、また、医療用マニピュレータ本体に原点センサを不要とすることが可能となるため小型軽量で操作性に優れた医療用マニピュレータを提供することが可能となる。また、手術中の非常事態にも、患者に危害を加えることなく原点検出手段の結合分離が容易であるため、より安全な医療用マニピュレータを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の医療用マニピュレータの第１の実施の形態を示す概略斜視図。
【図２】本発明の第１の実施の形態による医療用マニピュレータの分離状態を示す概略斜視図。
【図３】医療用マニピュレータの他の分離形態を示す概略斜視図。
【図４】医療用マニピュレータの他の分離形態を示す概略斜視図。
【図５】原点検出手段を装着した例を示す概略斜視図。
【図６】図５において原点検出手段を分離した状態を示す概略斜視図。
【図７】本発明の実施の形態における動力伝達機構を説明する図。
【図８】本発明の実施の形態における医療用マニピュレータの駆動部の結合分離の構成例を示す図。
【図９】本発明の実施の形態における医療用マニピュレータの駆動部の結合分離の構成例を示す図。
【図１０】本発明の実施の形態における医療用マニピュレータの原点検出手段の結合分離の構成例を示す図。
【図１１】本発明の実施の形態における医療用マニピュレータの原点検出手段の結合分離の構成例を示す図。
【図１２】医療用マニピュレータのシステムの立ち上げからシステム終了の手続きまでを示す図。
【図１３】医療用マニピュレータの使用の態様を示す図。
【図１４】従来の医療用マニピュレータを示す図。
【図１５】従来の医療用マニピュレータを示す図。
【符号の説明】
１ 医療マニピュレータ
１０ 作業部
２０ 操作部
３０ 連結部
４０ 制御部
５０ 駆動部
６０ 動力伝達機構
６１ 第１動力伝達部
６３ 第２動力伝達部
７０ 原点検出手段
Claims (4)
- 作業を行う作業部と、
操作指令を生成する操作部と、
前記操作部の操作指令に基づき前記作業部を駆動するための駆動部と、
前記駆動部の駆動力を前記作業部に伝達するための動力伝達機構と、
前記操作部の操作指令に基づき前記駆動部を制御する制御部と
を備え、
前記動力伝達機構は、
前記駆動部側にある第１動力伝達部と、
前記第１動力伝達部と前記駆動部との間に設けられた減速機と、
前記作業部側にあり前記第１動力伝達部と結合分離自在である第２動力伝達部と
を有する
ことを特徴とする医療用マニピュレータ。 - 前記第１動力伝達部と前記第２動力伝達部とを分離した状態で前記第１動力伝達部に結合分離自在であり、前記第１動力伝達部に結合し前記第１動力伝達部の所定結合位置を検出可能な原点検出手段を
備えることを特徴とする請求項１に記載の医療用マニピュレータ。 - 前記制御部は、
電源が投入されると初期化され、
前記制御部が初期化された後に待機状態となり、
前記待機状態において定期的に操作者の指令を監視し、
前記待機状態において操作開始指令が指令された場合、操作部の姿勢に作業部の姿勢が追従するように制御するとともに、少なくとも操作停止命令と原点復帰指令の２つの指令を監視し、
前記操作停止指令を検知した場合、指令が検知された際の姿勢を維持した前記待機状態となり、
前記原点復帰指令を検知した場合、初期化された際の姿勢になるように駆動部を制御する原点復帰動作を行い、初期化された際の姿勢となった後にはその姿勢を維持した前記待機状態となり、
前記待機状態においてシステム終了指令を検知した場合、前記待機状態の直前の動作が前記原点復帰動作であるかどうかを判断し、
前記原点復帰動作であると判断した場合、正常動作を可能と判断し、
原点復帰動作でないと判断した場合は、システム終了指令は誤りであったと判断する
ことを特徴とする請求項１および請求項２に記載の医療用マニピュレータ。 - 作業を行う作業部と、
操作指令を生成する操作部と、
前記操作部の操作指令に基づき前記作業部を駆動するための駆動部と、
前記操作部の操作指令に基づき前記駆動部を制御する制御部とを有する医療用マニピュレータの制御方法であって、
待機状態において定期的に操作者の指令を監視し、
前記待機状態において操作開始指令が指令された場合、操作部の姿勢に作業部の姿勢が追従するように制御するとともに、少なくとも操作停止命令と原点復帰指令の２つの指令を監視し、
前記操作停止指令を検知した場合、指令が検知された際の姿勢を維持した前記待機状態となり、
前記原点復帰指令を検知した場合、電源が投入された際の姿勢になるように駆動部を制 御する原点復帰動作を行い、電源が投入された際の姿勢となった後にはその姿勢を維持した前記待機状態となり、
前記待機状態においてシステム終了指令を検知した場合、前記待機状態の直前の動作が前記原点復帰動作であるかどうかを判断し、
前記原点復帰動作であると判断した場合、正常動作を可能と判断し、
原点復帰動作でないと判断した場合は、システム終了指令は誤りであったと判断する
ことを特徴とする医療用マニピュレータの制御方法。
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